基于模糊控制的采光控制策略仿真研究

包仁標, 馬小軍, 徐 勝, 錢 海

(南京工業(yè)大學 電氣工程與控制科學學院，南京 211816)

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基于模糊控制的采光控制策略仿真研究

包仁標, 馬小軍, 徐 勝, 錢 海

(南京工業(yè)大學 電氣工程與控制科學學院，南京 211816)

隨著人們生活水平的不斷提高，我國電力供應日趨緊張，其中照明能耗占據了很大比重；因此，如何在保證室內照度的基礎上，充分利用天然光，降低建筑人工照明能耗已經成為照明研究的主要方向；近年來，建筑信息模型(BIM)技術為推動建筑可持續(xù)發(fā)展的提供了巨大的支持，通過綠色建筑技術量化建筑采光性能，將自然光合理的引入室內，從而減少人工照明所產生的用電能耗；在此基礎上，制定了基于模糊控制的百葉窗控制系統(tǒng)，通過單模糊控制與雙模糊控制效果的對比，最終輸出合適的百葉窗開度，在天然光不足的情況下使用輔助人工照明并調光，最后以南京某辦公樓為例，通過ecotect軟件進行仿真，分析了一年四季的節(jié)能情況，得出節(jié)能率；結果證明，控制系統(tǒng)取得了一定的節(jié)能效果。

天然采光; 模糊控制; 節(jié)能仿真; 百葉窗

0 引言

隨著經濟的迅速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，電力需求量日趨增加。據數據顯示，目前，我國的照明用電約占全社會總用電量的20%。2009年美國綠色建筑委員會在關于綠色建筑設計和施工的LEED參考文件中陳述了“一個自然采光設計較好的建筑能夠節(jié)省50%～80%的用電量，但必須對室內進行平衡得失熱與眩光控制”[1]，由此看來，節(jié)省照明用電與提高平衡得失熱的能力是實現降低建筑能耗的關鍵因素。在這種背景下，節(jié)約能源實現可持續(xù)發(fā)展儼然成為人們關注的焦點，綠色照明的概念作為可持續(xù)發(fā)展理念的引申，為建筑照明指明了新的方向。節(jié)約照明用電，降低能耗，也將逐漸成為照明方案的著重考慮要點[2]。

在可持續(xù)發(fā)展的大背景下，太陽光作為綠色能源，存在著巨大的節(jié)能潛質[3]。與人工照明相比，太陽光因其本身的特點，不但可以使人的神經得到放松，同時更加有益于室內人員的身心健康。但是相對于人造光源，太陽光也充滿了不確定性，受天氣的制約很大，針對目前幾種常見的室內照明控制方式應用于辦公場所而存在的缺陷，本文通過采用照度平衡型晝間人工照明控制[4]，以晝光作為室內晝間照明的主要光源，在晝光無法滿足室內照度要求的情況下，啟用人工照明并調光。具體的方法：通過采用雙模糊控制器調節(jié)百葉窗開度，限制過強的太陽光直接進入室內，并調節(jié)室內光線，從而減弱了光的方向性以及窗戶的亮度，同時提高了室內天然光的均勻度，在室內墻上安裝照度傳感器，并對室內光源進行分區(qū)控制，最終實現節(jié)能的效果[5-6]，其流程圖如圖1所示，圖中：

圖1 結合天然采光的人工照明百葉窗控制策略

T1，T2根據實際需要確定；Ei為室內工作面實際點照度值，lux；Eset為室內工作面點照度設定值，lux。

1 百葉窗模糊控制系統(tǒng)

百葉窗作為一種常見的建筑室內采光系統(tǒng)，其具有調節(jié)方便、安裝簡單、裝飾美觀等優(yōu)點。人們通常根據室外天氣狀況開啟百葉窗控制進入室內的天然光，自動百葉窗系統(tǒng)中儲存有建筑所在緯度、經度為基礎的一年內太陽位置的數據，通過這些數據與室外照度傳感器，根據太陽直射光的強度調節(jié)百葉角度。該系統(tǒng)不但能夠保證視野(開放感)，還可以達到當時最有效的窗口采光[7]。

1.1 模糊控制理論基礎

模糊控制是建立在模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理基礎上的一種計算機數字控制技術[8]。模糊控制的一大特點是既有系統(tǒng)理論又有應用背景，目前，其典型應用涉及到我們生活的方方面面，例如家電中的自動洗衣機、電飯煲、吸塵器和空調系統(tǒng)等，工業(yè)控制領域有污水凈化處理[9]、化學反應釜[10]和水泥窯爐[11]等，其他領域有自動扶梯[12]、蒸汽引擎和機器人的模糊控制[13]。模糊控制器的如圖2所示。

圖2 模糊控制器結構圖

從圖2可以看出，模糊控制器主要由以下四部分組成。

1.1.1 模糊化

模糊化過程就是把精確值通過量化因子轉化為模糊論域內的數值，并使用語言變量值來描述的過程。為了保證任意輸入都能映射到模糊集系統(tǒng)中去，必須選擇選擇合適隸屬度函數，比較常用的是三角形函數、吊鐘形函數和梯形函數等。

1.1.2 模糊推理機

模糊推理機是根據制定好的模糊控制規(guī)則對輸入模糊變量進行模糊推理，推導出模糊控制器的模糊控制量。常用的模糊推理方法有Zadeh法，Mamdani法，Sugeno法等。由于Mamdani法對模糊控制器內的輸入量和輸出量的定位準確簡單，且易于模糊控制器對模糊規(guī)則的實現，筆者在設計模糊控制器時選擇了Mamdani法進行模糊推理。

1.1.3 規(guī)則庫

規(guī)則庫一般是根據各領域專家知識來確定，模糊控制規(guī)則的一般形式是If…then…，常用的兩種標準形式為：多輸入多輸出和多輸入單輸出。

1.1.4 反模糊化

對經過模糊推理后得到的模糊輸出變量進行反模糊化處理，即生成計算機能夠識別的數值，反模糊化過程最常用的方法有最大隸屬度函數法和重心法等。最大隸屬度法雖然計算簡單，但只利用了最大隸屬度的信息，因此難免會丟失許多信息，常用于簡單的控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)選用的是重心法，這是因為與最大隸屬度法相比，重心法具有更平滑的輸出推理控制，即對應與輸入信號的微小變化，其推理的最終輸出也會發(fā)生一定的變化，并根據隸屬度函數的不同也有所側重，從而充分保證了決策的客觀性。

本文通過引入模糊推理思想設計合理的百葉窗控制系統(tǒng)，根據設定的工作面照度值和設定值與實際照度值的差值確定百葉窗的開度，以限制強度過高的太陽直射光直接進入室內；同時，根據天空模式和太陽高度角產生一個調節(jié)系數進一步抑制進入室內的太陽直射光強度過大而產生的不舒適眩光。

1.2 輸入輸出量的確定與模糊化

本文設計的模糊控制系統(tǒng)主要有兩個，分別是主模糊控制器與從模糊控制器，接著確定兩個模糊控制器的輸入輸出量并模糊化，具體如下。

1.2.1 主模糊控制器

1)設定的照度值E

主模糊控制器的一個輸入變量是設定的照度值E，主要是根據不同性質的工作而設定的照度值，其論域為[0，1000]，模糊子集為E={TS,S,RS,M,RB,B,TB}，分別對應特別小、小、較小、中、較大、大、特別大。

2)設定的照度值與室內實際照度值的差值D，差值D作為主模糊控制器的另一個輸入變量，根據相關工作的模擬數據，其論域為[-1000，1000]，模糊子集為D={NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，分別對應負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。

3)百葉窗的開度U：

百葉窗的開度U為主模糊控制器的輸出變量，百葉窗的開度可以定義為百葉窗的葉片與豎直方向形成的夾角，夾角為0°，則開度最??；夾角為90°，則開度最大，因此U的論域為[0，90]，模糊子集為U={TS,S,RS,M,RB,B,TB}。

1.2.2 從模糊控制器

1)太陽高度角H：

太陽高度角H作為從模糊控制器的一個輸入變量，主要建筑物所處的地理位置決定，根據太陽高度角公式：H=90°-|太陽直射點-該地緯度|，求出南京市最大的太陽高度角為81.7°，因此H的論域為[0，81.7](不考慮黑夜)，模糊子集為E={TS,VS,S,M,B,VB,TB}，分別對應特別小、一般小、較小、適中、較大、一般大、特別大。

2)天空模式M：

根據CIE對天空模式的定義可以分為晴天、陰天和混合天3種天空模式，可以用天頂亮度來表示不同的天空模式，將M作為從模糊控制器的第二個輸入變量，根據有關的研究數據，可將M的論域設定為[0，45 000]，模糊子集為M={TS,VS,S,M,B,VB,TB}。

3)系數K：

系數K是根據天空模式和太陽高度角而產生的，將此作為從模糊控制器的輸出變量，其論域為[0，2]，模糊子集為K={TS,VS,S,M,B,VB,TB}。

1.3 模糊控制規(guī)則的建立

1.3.1 主模糊控制器的控制規(guī)則

主模糊控制器包含兩個輸入變量為E和D，E、D的模糊語言量均為7個，模糊規(guī)則共有49條，輸出的三維立體圖如圖3。

圖3 主模糊控制器曲面圖

在控制規(guī)則的基礎上，通過模糊規(guī)則瀏覽器進行驗證，當E=500，D=0時，U=45；當E=900，D=0時，U=66.3，因此當照度設定值較大時，應盡量增加百葉窗開度以減小誤差；當照度設定值較小時，應盡量減小百葉窗開度以降低誤差。

1.3.2 從模糊控制器的控制規(guī)則

主模糊控制器包含兩個輸入變量為H和M，H、M的模糊語言量均為7個，模糊規(guī)則共有49條，輸出的三維立體圖如圖4。

圖4 從模糊控制器曲面圖

從圖4可以看出隨著太陽高度角或是天頂亮度變大時，產生的系數K也會增大，從而使得K與百葉窗的開度、模擬室內天然光照度的乘積也會隨之增大，經過反饋調節(jié)后，百葉窗開度會逐漸減小。

1.4 仿真對比分析

1.4.1 單模糊控制器百葉窗控制系統(tǒng)

圖5是單模糊控制器的仿真模型，用階躍輸入信號模擬照度設定值，照度設定值為500，正弦波信號模擬室內工作面照度的預測值，幅值設定為2 000，將正弦波信號模擬的照度預測值與百葉窗開度的乘積作為室內工作面的實際照度值，仿真結果如圖5～6所示。

圖5 單模糊控制器的仿真模型

圖6 單模糊控制器仿真圖

從圖6看出，仿真結果與預期相符，當太陽高度角為0時，照度預測值與實際值都為0，此時百葉窗處于關閉狀態(tài)(根據圖7可知百葉窗開度為0)。隨著太陽高度角的增大，室內照度值和百葉窗開度也隨之增大。進入正午時分，太陽高度角漸漸達到一天中的最大值，此時為了防止過強的太陽直射光進入室內，百葉窗開度慢慢減小。到了傍晚，室內照度值減小，百葉窗開度逐漸變大。

圖7 單模糊控制器百葉窗開度

1.4.2 雙模糊控制器百葉窗控制系統(tǒng)

圖8是雙模糊控制器的仿真模型，對于主模糊控制器，用階躍輸入信號作為室內設定的照度值并輸入至主模糊控制器中，照度設定值為500，將百葉窗的開度、模擬室內工作面照度預測值的正弦函數曲線和從模糊控制器的輸出三者的乘積作為系統(tǒng)的輸出(即系數K)；對于從模糊控制器，均用正弦波信號來模擬太陽高度角和天空模式這兩個輸入值，對應的幅值分別為81.7和45 000，系統(tǒng)可根據調整幅值的大小來模擬不同的天氣和季節(jié)，系統(tǒng)中所選用的3個正弦波信號頻率相同，仿真結果如圖9～10所示。

圖8 雙模糊控制器的仿真模型

圖9 雙模糊控制器仿真圖

圖10 雙模糊控制器百葉窗開度

圖9、圖10的仿真結果與圖6、圖7相似，但圖9中室內工作面的實際照度值與照度預定值相比偏差更小，雙模糊控制系統(tǒng)較單模糊控制系統(tǒng)有了較大的改善。

2 百葉窗對太陽輻射量的影響分析

根據太陽光的組成特點，可將太陽輻射分為直接輻射和散射輻射，太陽總輻射等于直接輻射與散射輻射的總和。由于大氣層的存在，真正到達地球表面的太陽輻射能大小要受多種因素影響，一般來說，太陽高度角、大氣質量、大氣透明度、地理緯度、日照時間及海拔是影響太陽輻射能的主要因素[14]。

室內通過使用百葉窗尤其是在夏天對于太陽輻射量變化有何效果，這個效果可能有多種評價方式，但是直接計算設置百葉窗前后窗戶的太陽輻射變化情況是最具說服力的方法[15]。本文以南京某辦公樓三樓辦公室一南向窗戶為例，計算設置百葉窗前后的太陽輻射量變化，通過前后兩者數據比較得到差值。由于一天中百葉窗的開度不是唯一確定，為了方便計算，以開度45°為對象，在Ecotect中為南向窗戶添加百葉窗。

一般說來，春天和秋天的太陽輻射量變化較為相近，且介于夏天和冬天之間，為了簡化分析，筆者分別對夏天和冬天的太陽輻射量變化進行分析以表示設置百葉窗前后一年中窗戶的太陽輻射變化情況。選用的百葉窗寬度為50 mm，寬度為2 000 mm(即窗戶的寬度)。這里以距離窗戶50 mm處的立面作為分析太陽輻射量變化的基準面，分別就夏天和冬天對設置百葉窗前后窗戶的太陽輻射變化情況進行分析。這里僅列出夏天的太陽輻射變化情況，如圖11、圖12、圖13所示。

圖11 無百葉窗時的太陽輻射量(夏天)

圖12 有百葉窗時的太陽輻射量(夏天)

圖13 設置百葉窗前后的太陽輻射量比較值(夏天)

根據以上的分析可知，在沒有百葉窗的情況下，每個分析網格太陽輻射量的平均值是237 563.88 Wh，設置百葉窗后，每個網格的太陽輻射量平均值為37 240.38 Wh，可以發(fā)現設置了百葉窗后每個網格的太陽輻射量平均值減少了200 323.5 Wh，相當于沒有設置百葉窗時的17.94%。因此百葉窗可以在指定日期內遮擋太陽的直射輻射，但是對散射輻射遮擋很少。這也是為什么即使有了百葉窗，依然有將近18%的太陽輻射量進入了室內。設置百葉窗后在夏天可以遮擋強烈的陽光，同樣也會遮擋冬季的一部分陽光，同樣地，模擬計算設置此百葉窗前后冬季窗戶太陽輻射量的變化，并與夏季進行比對，如表1所示。

表1 設置百葉窗前后的太陽輻射變化情況

由表1可得以下結論：在設置百葉窗前，夏天的太陽輻射量明顯高于冬天，這是因為在同樣地條件下，太陽高度角越大，太陽輻射量也就越大；不同的差值比表示了不同季節(jié)時百葉窗對散射輻射的遮擋不同。設置百葉窗后，可以遮擋強烈的陽光，限制過強的太陽直射光進入室內，并調節(jié)室內光線，從而減弱了光的方向性以及窗戶的亮度，同時改善了室內光環(huán)境質量。夏天時可以降低空調運行負荷，然而在冬天百葉窗遮擋了部分進入室內的天然光，從而會給空調運行增加負荷，設置百葉窗后給室內造成的熱環(huán)境影響還需作進一步分析。

3 小結

本文根據天然采光的特性以及相關理論，制定了結合天然采光的晝間照明控制策略，設計基于模糊控制的百葉窗控制系統(tǒng)，給出了單模糊控制器和雙模糊控制器兩種策略，由仿真結果可知，雙模糊控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的單模糊控制系統(tǒng)有了較大的改善。運用Ecotect軟件創(chuàng)建百葉窗，分析了晴天情況下百葉窗對太陽輻射量的影響，得出百葉窗可以在指定日期內遮擋太陽的直射輻射，但是對散射輻射遮擋很少。對分析自然采光有一定的參考意義。

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Simulation Research on Fuzzy Control Strategy of Natural Daylight

Bao Renbiao，Ma Xiaojun，Xu Sheng，Qian Hai

(College of Electrical Engineering and Control Science, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China)

With the constant improvement of people’s living, the pressure of the supply of electric power of our country is becoming more and more serious,among which the lighting energy consumption is inevitable to occupy a large proportion. How to take advantage of natural light, meet requirements of the illumination and reduce the energy consumption of architectural lighting has become a major research direction of lighting construction. In recent year, the technology of Building Information Modeling (BIM) has contributed to building sustainable development，Building lighting performance is quantified through green building technique, and bringing natural light inside reasonably, thus reducing the electricity consumption generated by artificial lighting of buildings. Based on this control strategy, to develop the fuzzy control system based on shutter, contrast the single fuzzy control system with double fuzzy control system, get the most appropriate shutter opening, use auxiliary artificial lighting and dimming when daylight illumination is not enough. Finally, take an office building in Nanjing as an example, simulate and analyse by the software of Ecotect annually, obtain the energy-saving rate. The results show that the control system has achieved a certain energy-saving effect.

natural daylight；fuzzy control；energy-saving analysis；shutter

2015-08-28；

2015-11-05。

包仁標(1990-)，男，江蘇揚州人，研究生，主要從事建筑電氣智能化方向的研究。

馬小軍(1956-),男，江蘇南京人，教授，碩士研究生導師，主要從事建筑智能化、計算機(嵌入式系統(tǒng))等方向的研究。

1671-4598(2016)03-0055-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.016

TP391

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